90m電力推進海洋工程輔助船電氣設計的幾個關鍵問題

王 平,秦 輝 ,王金苓,林從煥,曹硯培

(廣新海事重工股份有限公司，中山528437)

1 引言

90 m DP2 RDSV項目是我司承接的一艘采用電力推進、具有較高技術水平的平臺輔助船，該項目入級ABS。

本船規(guī)格書要求電力系統(tǒng)具有 閉合匯流排（Closed-bustie）時的二級動力定位功能，這是一種非常規(guī)的動力定位電力系統(tǒng)，當工作于Closed-bustie時電力系統(tǒng)是沒有冗余的，其設計理念是與規(guī)范和現(xiàn)行FMEA要求的冗余設計相沖突的。這種要求是船東希望在非惡劣海況時減少發(fā)電機的運行臺數(shù)以節(jié)省資源，因此在2013之前的DP 指引中并沒有相關的說明。ABS 2013版指引對closed-bustie有簡單的總括性要求，即要以極快的速度在故障由一部分傳遞到另一部分之前切除掉出現(xiàn)故障的部分，以滿足單點故障不致失去定位能力的要求。因此，本項目在進行電力系統(tǒng)設計及設備訂貨時，首先要考慮的就是如何在closed-bustie DP2時，從設備和系統(tǒng)保護方面滿足FMEA單點故障不致引起定位失效的要求。

該項目要求特殊，在國內(nèi)尚無完成先例，故下面簡述該項目訂貨及技術談判中的一些需要注意的關鍵點，供大家參考。

2 電力系統(tǒng)單線圖

本項目電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。 AC690V主匯流排分為A、B、C三段，A段和C段匯流排分別向一首側推和一尾主推供電，B段匯流排專用于向艏部第三臺側推供電，AC440V和AC230V配電板匯流排相應也分為三部分。這種匯流排分段設計的優(yōu)點在于：當主配電板在Open-bustie或Closed-bustie時出現(xiàn)最大單點故障，即A段或C段匯流排短路時，至少仍有兩臺側推和一臺尾推正常運行，Open-bustie時不需要進行任何切換，Closed-bustie時僅需要斷開離故障點最近的匯流排斷路器。

當工作于Open-bustie狀態(tài)時，所有配電板匯流排斷路器均打開；當工作于Closed-bustie時，AC690V配電板匯流排斷路器閉合，其它配電板匯流排斷路器打開。

AC440V 600A ROV與Diving接口交叉布置在A段和C段匯流排下級，同時A段和C段匯流排與440V Diving配電板通過兩臺1 000 kVA變壓器連接，以保證在出現(xiàn)最大單點故障時ROV和Diving設備不失電。如果出現(xiàn)機艙電源全部失去，仍可通過專用Diving發(fā)電機保證ROV和Diving設備及人員的安全。

一臺4×350 kW功率海工吊的四個電機分別布置在A、C兩段匯流排下級，可以保證出現(xiàn)最大單點故障時海工吊仍有一定的起吊能力。

推進設備、ROV和Diving設備的輔助電源分別與其主電源匯流排相對應。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

3 Closed-bustie DP的關鍵問題

3.1 主匯流排斷路器的數(shù)量

參見ABS 2013 DP指引的要求，最少需要提供兩個斷路器用于閉合匯流排的系統(tǒng)中，因該斷路器容量達到6 300 A，價格昂貴，我們一度按照兩個進行配置。在與某電力系統(tǒng)集成商進行詳細技術談判的時候，提到了一個隱性故障的問題，即當出現(xiàn)最大單點故障時，如果由于斷路器本身的原因而無法打開，那么按此配置就會至少失去A和B，或者B和C兩段匯流排，導致定位能力下降較大，解決的辦法就是對匯流排主斷路器進行冗余，即按四個進行配置。

事后再次詳細理解DP指引要求，指引中針對的是兩段式匯流排，本項目AC690V主匯流排分為三段，每段上均掛有推進器，因此配置四個斷路器是合理的。

3.2 主匯流排斷路器短延時的選擇性保護

Closed-bustie有非動力定位正常航行和動力定位兩種情況。這兩種情況的選擇性保護都要求滿足，兩者的區(qū)別在于動力定位選擇性保護需要多考慮系統(tǒng)的冗余問題，即當匯流排發(fā)生故障時要求快速斷開匯流排斷路器，防止故障蔓延。

當采用兩段式匯流排時，匯流排故障只需要斷開兩段匯流排之間的斷路器即可。本項目采用三段式匯流排，有兩個斷點，每段匯流排均掛有推進器，為了不影響其它匯流排的工作，就需要進行一定的判斷，本項目采用電流方向探測來確定故障點的辦法。

圖2 AC690V匯流排斷路器方向性保護配置

如圖2所示，P10和P6、P7和P11分別設定有相同的故障電流檢測方向，P7和P10作為兩個方向主斷路器，分斷時間為0.53 s;P6和P11作為冗余從斷路器，分斷時間為0.65 s。任一排發(fā)生故障時，具有相同電流參考方向的主斷路器先動作，主斷路器失效，則與之相鄰的相反方向的斷路器動作。

3.3 有功（頻率）和無功（電壓）的監(jiān)測

同一匯流排并聯(lián)運行的發(fā)電機中，某一臺出現(xiàn)有功或者無功故障（如調(diào)速器故障、油門齒條卡死、傳感器失效、AVR故障、信號線路斷線、PMS故障等問題），嚴重時可導致非故障發(fā)電機斷路器因過載或逆功而動作，最終全船失電而失去定位能力。這在常規(guī)動力定位船中不會出現(xiàn)，因為電力系統(tǒng)分為兩部分工作，而Closed-bustie則可能出現(xiàn)，這是不允許的。因此需要對頻率和電壓的變化進行監(jiān)測，當變化超過一定值時，進行報警或打開主匯流排斷路器，將系統(tǒng)恢復到冗余狀態(tài)，再對故障點進行處理。

本項目對每臺發(fā)電機，均增加了專門進行頻率和電壓監(jiān)測并集成到PMS中的發(fā)電機監(jiān)測系統(tǒng)（AGS），圖3是該系統(tǒng)的基本組成。

圖3 發(fā)電機電壓和頻率監(jiān)測模型

該系統(tǒng)的工作過程是由AGS系統(tǒng)不斷監(jiān)測發(fā)電機組的電壓、電流、勵磁電流、油門尺條位置并與系統(tǒng)內(nèi)預置的數(shù)據(jù)比較，產(chǎn)生偏差時先交由PMS調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)失敗偏差進一步擴大且達到一定值時，AGS通知PMS啟動備用機組并切除故障發(fā)電機，如故障仍然存在則分斷匯流排斷路器。

3.4 匯流排短路電壓瞬變的跨越

當電網(wǎng)有大功率電機啟動或匯流排短路等情況時，較大的電壓降會引起斷路器的欠壓保護動作，驅(qū)動變頻器也會停機。特殊是當匯流排發(fā)生短路時，電壓會在極短的時間內(nèi)降到0，必然會觸發(fā)欠壓保護動作，因此要采取一些措施。

匯流排斷路器應設置成瞬時分斷，將發(fā)生短路的匯流排切除。同時要對與動力定位系統(tǒng)相關輔助設備負荷開關設置UVR欠壓釋放保護，并設定合適的重啟動組和時間，既要避免重啟動時對電網(wǎng)造成再次沖擊，又要保證從電源到驅(qū)動的順序。這些設備包括機艙風機、發(fā)電機的供油泵、冷卻水泵、驅(qū)動變頻器冷卻泵、驅(qū)動電機冷卻泵等。

為避免匯流排短路時變頻器欠壓停機，變頻器應在短路期間使直流部分維持一定的電壓。當檢測到直流部分電壓降低到一定程度時，即轉為發(fā)電機模式（仍然在旋轉的螺旋槳和電動機向變頻器供電，維持變頻器不關機，直到短路故障被分離），本項目變頻器可以維持1.5s的時間，滿足切除故障的時間要求。

3.5 電站管理系統(tǒng)

電站管理系統(tǒng)是整個電站的核心，在Closed-bustie時PMS分為主用和備用兩部分：主用PMS監(jiān)控整個網(wǎng)絡的狀態(tài)，任一點的故障都可能引起PMS發(fā)出錯誤命令，引起所有推進器強行減負荷或網(wǎng)絡保護動作。首先，PMS的冗余應得到充分保證，在主用PMS發(fā)生故障時，備用PMS應能無間斷切換。要求主備用PMS要進行熱備份實時通信并有通信故障的報警，并且通信需要有冗余。其次，PMS要具有判斷故障點的能力，即在電網(wǎng)異常時先切除造成電網(wǎng)異常的部分，而不是直接對定位系統(tǒng)發(fā)送故障信息。

4 結語

Closed-bustie的動力定位系統(tǒng)是一種較新的系統(tǒng)，在與船級社、FMEA分析公司和電氣集成商的溝通中，明顯感覺他們對這種要求也是不太了解。本文簡述了FMEA分析最為關注的幾個主要問題，在類似項目的設計中需要與FMEA緊密配合，以避免日后設備成型造成大修改。Closed-bustie對船東來說是一種更經(jīng)濟的系統(tǒng)配置，可以減少動力定位時發(fā)電機開機的數(shù)量，同時作為一種技術的進步也具有較大的意義。

[1]Guide for Dynamic Positioning Systems,ABS 2013.

[2]A Guide to Dp Electrical Power and Control Systems,IMCA M206.

[3]Methods of Establishing the Safety and Reliability of Dynamic Positioning System.IMCA M04/04.

[4]Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) of Redundant Systems.DNVRP-D102.

[5]王文義.船舶電站[M]..哈爾濱工程大學出版社.